JP7469076B2

JP7469076B2 - 光学系システム

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Publication number: JP7469076B2
Application number: JP2020038672A
Authority: JP
Inventors: 龍也長濱; 裕子宍戸
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2040-03-06
Also published as: JP2021140066A

Description

本発明は、リレー光学系および光学系システムに関する。

従来、結像光学系により結像される像を撮像素子や他の光学系にリレーするリレー光学系が知られている。
例えば、特許文献１には、リレー光学系を含んで構成された顕微鏡システムが記載されている。この顕微鏡システムを図５に例示する。図５に示す顕微鏡システム１００は、対物レンズ９１および結像レンズ９２を含む結像光学系１０１と、結像光学系１０１による中間像をリレーして撮像素子９７に再結像させるリレー光学系としてのリレーレンズ９３，９４と、リレーレンズ９３，９４間に配置される焦点距離可変レンズ９５と、を備えている。

特開２０１９－０７４７２２号公報

ところで、結像光学系に対して、他の光学系である追加光学系を組み合わせることで、１つの光学系システムを構築する場合がある。結像光学系と追加光学系とを組み合わせる際には、両者の開口数を合わせることが望ましい。しかし、結像光学系の開口数に合わせて追加光学系を設計した場合、追加光学系が大型化してしまう可能性がある。

例えば、前述の図５に示す顕微鏡システム１００を例に用いて説明する。
図５に示す顕微鏡システム１００は、対物レンズ９１および結像レンズ９２を含む結像光学系１０１に対して、リレーレンズ９３，９４および焦点距離可変レンズ９５を含む追加光学系１０２を組み合わせることで構築されるものとする。
ここで、図６に示すように、結像光学系１０１が比較的大きな像側開口数を有する一方、追加光学系１０２の物体側開口数が何らかの要因（例えば焦点距離可変レンズ９５の有効径Ｄ）により制限されており、結像光学系１０１の像側開口数が追加光学系１０２の物体側開口数よりも大きい場合を仮定する。
このような場合、図６中で斜線をかけた領域の光が追加光学系１０２に入射することができない。すなわち、結像光学系１０１から追加光学系１０２に入射する光束の幅が狭まり、像の明るさが低下してしまう。
そこで、追加光学系１０２の光学性能を低下させないためには、追加光学系１０２の物体側開口数が結像光学系１０１の像側開口数に一致するように、焦点距離可変レンズ９５の有効径Ｄを拡大する等、追加光学系１０２を再設計することが望ましい。しかしながら、比較的大きな開口数を有する結像光学系１０１に合わせて追加光学系１０２を再設計すると、追加光学系１０２が大型化してしまう。
以上の問題は、顕微鏡システム１００の例に限られず、結像光学系に対して追加光学系を組み合わせる場合に広く共通する。

本発明は、結像光学系に対して追加光学系を組み合わせる際、追加光学系の光学性能低下や大型化を抑制できるリレー光学系および光学系システムを提供することを目的とする。

本発明のリレー光学系は、結像光学系と、前記結像光学系の像側に配置されかつ前記結像光学系の像側開口数よりも小さい物体側開口数を有する追加光学系と、を含む光学系システムに用いられ、前記結像光学系と前記追加光学系との間に配置されるリレー光学系であって、前記結像光学系から入射される光を平行光に変換する複数の第１マイクロレンズを有する第１マイクロレンズアレイと、複数の前記第１マイクロレンズから入射される前記平行光を結像させる複数の第２マイクロレンズを有し、かつ、前記第１マイクロレンズアレイの焦点距離よりも大きい焦点距離を有する第２マイクロレンズアレイと、を備えることを特徴とする。

本発明では、第２マイクロレンズアレイの焦点距離が第１マイクロレンズアレイの焦点距離よりも大きいことにより、リレー光学系の像側開口数が当該リレー光学系の物体側開口数よりも小さくなる。このため、結像光学系の像側開口数とリレー光学系の物体側開口数との差異、または、追加光学系の物体側開口数とリレー光学系の像側開口数との差異の少なくとも一方を低減できる。よって、本発明のリレー光学系を用いた光学系システムにおいて、結像光学系レンズから追加光学系レンズに向かう光束の幅が減少することを抑制でき、その結果、像の明るさが低下することを抑制できる。
また、本発明のリレー光学系を用いた光学系システムにおいて、結像光学系レンズからリレー光学系に入射する光束は、第１マイクロレンズアレイを構成する各第１マイクロレンズによって分割され、光軸に平行な光束に変換された後、第２マイクロレンズアレイを構成する各第２マイクロレンズによって個別に結像される。すなわち、本発明のリレー光学系を通過する光束は、光学系システムの光軸付近を通る光束であっても、当該光軸から離れた位置を通る光束であっても、それぞれ、光軸から離れる方向へ進まず、光軸に沿って進む。このため、本発明のリレー光学系は、結像光学系レンズによる像の倍率および画角を変化させることなく、当該像を追加光学系レンズにリレーすることができる。
以上により、本発明のリレー光学系を用いた光学系システムによれば、追加光学系の光学性能低下を抑制できる。また、本発明のリレー光学系を用いれば、結像光学系に合わせて追加光学系を再設計する必要がなくなり、追加光学系が大型化してしまうことを回避できる。

本発明のリレー光学系において、前記第２マイクロレンズアレイの焦点距離に対する前記第１マイクロレンズアレイの焦点距離の比は、前記追加光学系の物体側開口数に対する前記結像光学系の像側開口数の比に等しいことが好ましい。
本発明のリレー光学系を用いた光学系システムでは、結像光学系の像側開口数とリレー光学系の物体側開口数とを一致させつつ、追加光学系の物体側開口数とリレー光学系の像側開口数とを一致させることができる。これにより、追加光学系の光学性能低下をより好適に抑制できる。

本発明の光学系システムは、結像光学系と、前記結像光学系の像側に配置されかつ前記結像光学系の像側開口数よりも小さい物体側開口数を有する追加光学系と、前記結像光学系と前記追加光学系との間に配置されるリレー光学系とを備え、前記リレー光学系は、前記結像光学系から入射される光を平行光に変換する複数の第１マイクロレンズを有する第１マイクロレンズアレイと、複数の前記第１マイクロレンズから入射される前記平行光を結像させる複数の第２マイクロレンズを有し、かつ、前記第１マイクロレンズアレイの焦点距離よりも大きい焦点距離を有する第２マイクロレンズアレイと、を備えることを特徴とする。
本発明の光学系システムによれば、前述した本発明のリレー光学系の効果と同様の効果を奏する。

本発明の一実施形態のリレー光学系を用いた光学系システムを示す模式図。前記実施形態のリレー光学系の一部を示す模式図。前記実施形態のリレー光学系を使用した例を示す模式図。比較例のリレー光学系を用いた光学系システムを示す模式図。従来のリレー光学系を含んだ光学系の例を示す模式図。従来の問題を説明するための模式図。

〔実施形態〕
本発明の一実施形態について説明する。
図１において、本実施形態のリレー光学系１０は、光学系システム１に用いられている。すなわち、本実施形態の光学系システム１は、サンプルからの光を結像する結像光学系２０と、結像光学系２０の像側に配置される追加光学系３０と、結像光学系２０と追加光学系３０との間に配置されるリレー光学系１０とを含む。
なお、図１には、結像光学系２０のうち最も像側に配置されるレンズである結像光学系レンズ２１と、追加光学系３０のうち最も物体側に配置される追加光学系レンズ３１とが図示されている。

本実施形態の光学系システム１において、結像光学系２０は、サンプルからの光を結像して第１中間像Ｉ_１を形成し、リレー光学系１０は、結像光学系２０から入射される第１中間像Ｉ_１を再結像して第２中間像Ｉ_２を形成する。追加光学系３０は、リレー光学系１０から入射される第２中間像Ｉ_２を、撮像素子などに再結像してもよいし、さらに他の光学系へリレーしてもよい。

ここで、結像光学系２０の物体側開口数（すなわち結像光学系レンズ２１の物体側開口数）をＮＡａとし、追加光学系３０の像側開口数（すなわち追加光学系レンズ３１の像側開口数）をＮＡｂとするとき、各開口数ＮＡａ，ＮＡｂは、ＮＡａ＞ＮＡｂであるように構成されている。
なお、図１では、結像光学系２０から出射する光束の光軸Ａに対する角度θ_ａと、追加光学系３０に入射する光束の光軸Ａに対する角度θ_ｂとが図示されている。周囲の媒体の屈折率をｎとするとき、各開口数ＮＡａ，ＮＡｂは、以下の式（１），（２）で表される。
ＮＡａ＝ｎｓｉｎθ_ａ・・・（１）
ＮＡｂ＝ｎｓｉｎθ_ｂ・・・（２）
ここで、θ_ａ＞θ_ｂである。

リレー光学系１０は、物体側から順に、第１マイクロレンズアレイ１１および第２マイクロレンズアレイ１２を有している。
第１マイクロレンズアレイ１１は、光学系システム１の光軸Ａに直交する平面において、複数の第１マイクロレンズＬ１を格子状またはハニカム形状に二次元配列して構成されている。
第１マイクロレンズアレイ１１は、第１マイクロレンズＬ１の物体側焦点と結像光学系レンズ２１の像側焦点とが光軸Ａ方向に同じ位置になるように配置される。すなわち、結像光学系レンズ２１と第１マイクロレンズアレイ１１との間の距離は、結像光学系レンズ２１の焦点距離ｆａと第１マイクロレンズＬ１の焦点距離ｆ１との和に等しい。

第２マイクロレンズアレイ１２は、第１マイクロレンズアレイ１１と同様、光学系システム１の光軸Ａに直交する平面において、複数の第２マイクロレンズＬ２を格子状またはハニカム形状に二次元配列して構成されている。
第２マイクロレンズアレイ１２は、第２マイクロレンズＬ２の像側焦点と追加光学系レンズ３１の物体側焦点とが光軸Ａ方向に同じ位置になるように配置される。すなわち、第２マイクロレンズアレイ１２と追加光学系レンズ３１との間の距離は、第２マイクロレンズＬ２の焦点距離ｆ２と追加光学系レンズ３１の焦点距離ｆｂとの和に等しい。
なお、第１マイクロレンズＬ１の焦点距離ｆ１を第１マイクロレンズアレイ１１の焦点距離ｆ１と称し、第２マイクロレンズＬ２の焦点距離ｆ２を第２マイクロレンズアレイ１２の焦点距離ｆ２と称する場合がある。

以上のリレー光学系１０において、第１マイクロレンズアレイ１１および第２マイクロレンズアレイ１２は、各第１マイクロレンズＬ１と各第２マイクロレンズＬ２とが互いに対向し、各光軸が一致するように配置されている。また、第１マイクロレンズアレイ１１および第２マイクロレンズアレイ１２は、第２マイクロレンズアレイ１２の焦点距離ｆ２が第１マイクロレンズアレイ１１の焦点距離ｆ１よりも大きくなるように構成されている。
このリレー光学系１０において、各第１マイクロレンズＬ１は、結像光学系２０から入射される光を平行化し、当該第１マイクロレンズＬ１が対向する第２マイクロレンズＬ２に平行光を入射させる。各第２マイクロレンズＬ２は、当該第２マイクロレンズＬ２が対向する第１マイクロレンズＬ１から入射される平行光を集光して第２中間像Ｉ_２を形成し、当該第２中間像Ｉ_２を追加光学系３０にリレーする。

ここで、リレー光学系１０の物体側開口数ＮＡ１は、各第１マイクロレンズＬ１に入射する光束の最大入射角に対応し、リレー光学系１０の像側開口数ＮＡ２は、各第２マイクロレンズＬ２から出射する光束の最大出射角に対応する。

図２にリレー光学系１０の一部を拡大して示す。リレー光学系１０の物体側開口数ＮＡ１は、以下の式（３）で表される。
ＮＡ１＝ｎｓｉｎθ_１≒ｔａｎθ_１・・・（３）
上記式（３）において、ｎは、媒体の屈折率であり、空気中においてｎ＝１とする。また、式（３）中のｔａｎθ_１は、以下の式（４）で表される。
ｔａｎθ_１＝ｄ１／ｆ１・・・（４）
上記式（４）において、ｄ１は、第１マイクロレンズＬ１を通過するビーム径であり、ｆ１は、第１マイクロレンズアレイ１１の焦点距離である。

同様にリレー光学系１０の像側開口数ＮＡ２は、以下の式（５）で表される。
ＮＡ２＝ｎｓｉｎθ_２≒ｔａｎθ_２・・・（５）
式（５）において、ｎは、媒体の屈折率であり、空気中においてｎ＝１とする。また、式（５）中のｔａｎθ_２は、以下の式（６）で表される。
ｔａｎθ_２＝ｄ２／ｆ２・・・（６）
上記式（６）において、ｄ２は、第２マイクロレンズＬ２を通過するビーム径であり、ｆ２は、第２マイクロレンズアレイ１２の焦点距離である。

本実施形態において、第１マイクロレンズＬ１を通過するビーム径ｄ１と、第２マイクロレンズＬ２を通過するビーム径ｄ２とは等しい。
よって、以上の式（３）～（６）により、リレー光学系１０の物体側開口数ＮＡに対する像側開口数ＮＡ２の比ＮＡ２／ＮＡ１は、以下の式（７）で表される。
ＮＡ２／ＮＡ１＝（ｄ２／ｆ２）／（ｄ１／ｆ１）
＝ｆ１／ｆ２・・・（７）

したがって、リレー光学系１０の開口数比ＮＡ２／ＮＡ１は、第２マイクロレンズアレイ１２の焦点距離ｆ２に対する第１マイクロレンズアレイ１１の焦点距離ｆ１の比と等しくなる。
前述したように、第２マイクロレンズアレイ１２の焦点距離ｆ２は、第１マイクロレンズアレイ１１の焦点距離ｆ１よりも大きい。このため、リレー光学系１０において、像側開口数ＮＡ２は、物体側開口数ＮＡ１よりも小さくなる。

〔本実施形態の効果〕
本実施形態の光学系システム１では、結像光学系２０の像側開口数ＮＡａが追加光学系３０の物体側開口数ＮＡｂよりも大きいが、結像光学系２０と追加光学系３０との間にリレー光学系１０を介在させることにより、開口数の差異を原因とする光学性能の低下を抑制できる。
すなわち、リレー光学系１０において、像側開口数ＮＡ２は、物体側開口数ＮＡ１よりも小さいため、リレー光学系１０を用いた光学系システム１では、結像光学系２０の像側開口数ＮＡａとリレー光学系１０の物体側開口数ＮＡ１との差異、または、追加光学系３０の物体側開口数ＮＡｂとリレー光学系１０の像側開口数ＮＡ２との差異の少なくとも一方を低減できる。これにより、結像光学系レンズ２１から追加光学系レンズ３１に向かう光束の幅が減少することを抑制でき、その結果、像の明るさが低下することを抑制できる。

また、本実施形態において、結像光学系レンズ２１からリレー光学系１０へ入射する光は、第１マイクロレンズアレイ１１を構成する各第１マイクロレンズＬ１によって分割され、光軸Ａに平行な光束に変換された後、第２マイクロレンズアレイ１２を構成する各第２マイクロレンズＬ２によって個別に結像される。すなわち、リレー光学系１０を通過する光束は、光軸Ａ付近を通る光束であっても、光軸Ａから離れた位置を通る光束であっても、それぞれ、光軸Ａから離れる方向へ進まず、光軸Ａに沿って進む。このため、リレー光学系１０は、結像光学系レンズ２１による像の倍率および画角を変化させることなく、当該像を追加光学系レンズ３１にリレーすることができる。

以上により、本実施形態のリレー光学系１０を用いた光学系システム１によれば、追加光学系３０の光学性能低下を抑制できる。また、本実施形態のリレー光学系１０を用いれば、結像光学系２０に合わせて追加光学系３０を再設計する必要がなくなり、追加光学系３０が大型化してしまうことを回避できる。

また、本実施形態において、第２マイクロレンズアレイ１２の焦点距離ｆ２に対する第１マイクロレンズアレイ１１の焦点距離ｆ１の比ｆ１／ｆ２は、追加光学系３０の開口数ＮＡｂに対する結像光学系２０の開口数ＮＡａの比ＮＡｂ／ＮＡａに等しくなるように設定されることが好ましい。
例えば、追加光学系３０の開口数ＮＡｂに対する結像光学系２０の開口数ＮＡａの比ＮＡｂ／ＮＡａが１／２である場合を仮定する。この場合、第１マイクロレンズアレイ１１の焦点距離ｆ１を１０ｍｍ、第２マイクロレンズアレイ１２の焦点距離ｆ２を２０ｍｍに設定すること等により、焦点距離比ｆ１／ｆ２を１／２にすることが好ましい。
このような構成によれば、リレー光学系１０の開口数比ＮＡ２／ＮＡ１は、追加光学系３０の開口数ＮＡｂに対する結像光学系２０の開口数ＮＡａの比ＮＡｂ／ＮＡａと等しくなる。これにより、結像光学系２０の開口数ＮＡａとリレー光学系１０の物体側開口数ＮＡ１とを一致させつつ、追加光学系３０の開口数ＮＡｂとリレー光学系１０の像側開口数ＮＡ２とを一致させることができる。その結果、像の明るさが低下することを、より好適に抑制できる。

〔リレー光学系１０の使用例〕
本実施形態のリレー光学系１０の使用例について説明する。
図３は、従来の顕微鏡システム１００（図５参照）にリレー光学系１０を用いることで構築された新たな光学系システム２００を示している。なお、図３では、図５の顕微鏡システム１００と同様の部材には、同様の符号を用いている。また、図３は、顕微鏡システム１００のうち、結像レンズ９２、リレーレンズ９３および焦点距離可変レンズ９５を図示しており、他のレンズの図示を省略している。

図３に示す光学系システム２００において、結像光学系１０１の像側開口数は比較的大きく構成されている一方、追加光学系１０２の物体側開口数は、焦点距離可変レンズ９５の有効径Ｄにより制限されており、結像光学系１０１の像側開口数が追加光学系１０２の物体側開口数よりも大きい。
なお、焦点距離可変レンズ９５は、ケース内に液体が充填された液体共振式レンズであり、焦点距離可変レンズ９５の有効径Ｄは、ケースの窓部の径である。

この光学系システム２００では、本実施形態のリレー光学系１０が、結像光学系１０１と追加光学系１０２との間（すなわち結像レンズ９２とリレーレンズ９３との間）に配置されている。これにより、前述した効果と同様、結像光学系１０１から追加光学系１０２に入射する光束の幅が狭まることがなく、像の明るさが確保される。このため、光学系システム２００では、焦点距離可変レンズ９５の有効径Ｄを拡大する必要がなく、追加光学系１０２を小型化することができる。

〔比較例〕
本実施形態の比較例に係るリレー光学系について説明する。
図４に示すように、比較例に係るリレー光学系４０は、結像光学系２０と追加光学系３０との間に配置され、物体側から順に、第１リレーレンズ４１および第２リレーレンズ４２を有する。

この比較例において、例えば、追加光学系３０の開口数ＮＡｂに対する結像光学系２０の開口数ＮＡａの比ＮＡｂ／ＮＡａが１／２であり、第１リレーレンズ４１の焦点距離ｆｃ１を１０ｍｍ、第２リレーレンズ４２の焦点距離ｆｃ２を２０ｍｍに設定する場合を仮定する。
この場合、比較例に係るリレー光学系４０の物体側開口数ＮＡｃ１に対する像側開口数ＮＡｃ２の比ＮＡｃ２／ＮＡｃ１は、追加光学系３０の開口数ＮＡｂに対する結像光学系２０の開口数ＮＡａの比ＮＡｂ／ＮＡａと等しくなる。

このような比較例によれば、本実施形態と同様、開口数の不一致を解消できる。すなわち、結像光学系２０の開口数ＮＡａとリレー光学系４０の物体側開口数ＮＡｃ１とを一致させつつ、追加光学系３０の開口数ＮＡｂとリレー光学系４０の像側開口数ＮＡｃ２とを一致させることができる。

しかし、比較例では、リレー光学系４０を通過する光束のうち、光軸Ａから離れた位置を通る光束（例えば図４中の光束Ｌｃ）が、第１リレーレンズ４１の外縁部から第２リレーレンズ４２の外縁部を通過することにより、光軸Ａから離れる方向へ進むため、像の倍率および画角がそれぞれ上がってしまう。例えば、図４中には、結像光学系２０による第１中間像Ｉ_１と、リレー光学系４０による第２中間像Ｉｃとをそれぞれ矢印で示しており、第２中間像Ｉｃは、第１中間像Ｉ_１よりも大きい。
また、光束Ｌｃは、光軸Ａから離れる方向へ進むことにより、追加光学系レンズ３１から外れてしまう。このため、開口数の不一致を解消しても、結局、像の明るさは低下してしまう。

したがって、比較例のリレー光学系４０は、追加光学系３０の光学性能低下を十分に抑制することができない。
これに対して、本実施形態のリレー光学系１０は、前述したように第１マイクロレンズアレイ１１および第２マイクロレンズアレイ１２を有することにより、比較例のような倍率および画角の上昇を生じさせず、像の明るさが低下することを抑制できる。よって、本実施形態のリレー光学系１０は、比較例のリレー光学系４０に比べて、追加光学系３０の光学性能低下を十分に抑制できる。

〔変形例〕
前記実施形態において、結像光学系２０は、結像光学系レンズ２１を含んで構成され、追加光学系３０は、追加光学系レンズ３１を含んで構成されているが、本発明はこれに限られない。結像光学系２０および追加光学系３０は、それぞれ、例えばピンホールやプリズムなど、レンズ以外の光学部品によって構成されてもよい。

本発明のリレー光学系は、結像光学系に対して他の光学系である追加光学系を組み合わせる場合、例えば顕微鏡システムを構築する場合に利用できる。

１…光学系システム、１０…リレー光学系、１１…第１マイクロレンズアレイ、Ｌ１…第１マイクロレンズ、１２…第２マイクロレンズアレイ、Ｌ２…第２マイクロレンズ、２０…結像光学系、２１…結像光学系レンズ、３０…追加光学系、３１…追加光学系レンズ、４０…リレー光学系、４１…第１リレーレンズ、４２…第２リレーレンズ、９１…対物レンズ、９２…結像レンズ、９３…リレーレンズ、９４…リレーレンズ、９５…焦点距離可変レンズ、９７…撮像素子、１００…顕微鏡システム、１０１…結像光学系、１０２…追加光学系、Ａ…光軸。

Claims

結像光学系と、
前記結像光学系の像側に配置されかつ前記結像光学系の像側開口数よりも小さい物体側開口数を有する追加光学系と、
前記結像光学系と前記追加光学系との間に配置されるリレー光学系と、を備え、
前記追加光学系は、
前記結像光学系による中間像をリレーして撮像素子に再結像させる一対のリレーレンズと、
前記一対のリレーレンズの間に配置された焦点距離可変レンズと、を備え、
前記追加光学系の物体側開口数は、前記焦点距離可変レンズの有効径により制限されており、
前記リレー光学系は、
前記結像光学系から入射される光を平行光に変換する複数の第１マイクロレンズを有する第１マイクロレンズアレイと、
複数の前記第１マイクロレンズから入射される前記平行光を結像させる複数の第２マイクロレンズを有し、かつ、前記第１マイクロレンズアレイの焦点距離よりも大きい焦点距離を有する第２マイクロレンズアレイと、を備える
ことを特徴とする光学系システム。
前記第２マイクロレンズアレイの焦点距離に対する前記第１マイクロレンズアレイの焦
点距離の比は、前記追加光学系の物体側開口数に対する前記結像光学系の像側開口数の比
に等しい、ことを特徴とする請求項１に記載の光学系システム。